自走式棉稈聯合收獲打捆機改進設計與試驗*

廖培旺，禚冬玲，付春香，劉凱凱，王成，張愛民

(1. 濱州市農業機械化科學研究所，山東濱州，256600；2. 濱州市農業農村綜合服務中心，山東濱州，256600)

0 引言

棉稈作為我國繼麥秸、玉米秸和水稻秸之后的第四大農作物秸稈，其綜合利用價值潛力巨大[1-6]。但是，由于缺乏高效的棉稈收獲機械和棉稈的儲存、運輸困難，棉稈多用于生活燃料或者就地焚燒，其綜合利用率較低[7]。

目前，棉稈處理方式主要有粉碎還田、粉碎集箱和壓縮打捆三種。對比以上三種方式，棉稈粉碎還田作業成本低，配套機具相對成熟，但是大量棉稈粉碎還田不僅會嚴重危害來年的棉花種植和生長，還會嚴重影響土壤耕翻、松土、保墑，造成棉稈資源浪費、社會和經濟效益低下[8-9]；棉稈粉碎集箱收獲主要利用粉碎裝置將棉稈粉碎，通過風機將粉碎的棉稈吹入箱體，這種方式的缺點在于收獲后的棉稈占據空間大，不便于收儲運作業，同時該方式耗能比較高[10-12]；相對而言，棉稈壓縮打捆收獲則克服這些缺點，最有利于棉稈的儲存、運輸，從而促進棉稈的綜合利用，深受棉農的歡迎[13-18]。但是，現有棉稈壓縮打捆機械還不成熟，大多數機型為分段收獲[19]，存在收獲效率低、回收率低和打捆質量差等問題。

針對以上問題，本文根據機具的田間作業條件和棉稈的力學特性，采用理論、仿真和試驗分析相結合的方法，對自走式棉稈聯合收獲打捆機的滾筒式鍘切機構、撥禾輪、螺旋輸送輥和曲柄滑塊壓縮機構進行了改進，以期提高棉稈收獲效率、回收率和打捆質量。

1 自走式棉稈聯合收獲打捆機

自走式棉稈聯合收獲打捆機主要包括拔稈輥、撥禾輪、螺旋輸送輥、滾筒式鍘切機構、曲柄滑塊壓縮機構、打捆裝置等(圖1)。

自走式棉稈聯合收獲打捆機主要通過拔稈輥和撥禾輪配合作業將棉稈從地里拔除，通過螺旋輸送輥將拔除的棉稈聚攏輸送到滾筒式鍘切結構，通過滾筒式鍘切機構將棉稈切斷，通過曲柄滑塊壓縮機構將切斷后的棉稈進行壓縮，最后通過打捆裝置將壓縮的棉稈進行打捆。

自走式棉稈聯合收獲打捆機優化前后主要技術參數對比如表1所示。

圖1 自走式棉稈聯合收獲打捆機Fig. 1 self-propelled cotton stalk combine harvest baler1.曲柄滑塊壓縮機構 2.滾筒式鍘切機構 3.螺旋輸送輥4.撥禾輪 5.拔稈輥

表1 自走式棉稈聯合收獲打捆機主要技術參數Tab. 1 Main technical parameters of self-propelledcotton stalk combine harvest baler

2 關鍵部件改進

2.1 滾筒式鍘切機構改進

現有的棉稈收獲打捆機將棉稈收獲后直接進行壓縮打捆，這樣會導致棉稈壓縮打捆時消耗功率大、壓縮打捆效率低、壓縮打捆質量差等問題[20]。通過試驗可知，棉稈經過鍘切后進行壓縮打捆，能有效降低功率消耗、提高壓縮打捆效率和質量。因此，本文通過在螺旋輸送輥和曲柄滑塊壓縮機構之間增加滾筒式鍘切機構，實現先將棉稈切斷，再進行壓縮打捆的工作流程。

滾筒式鍘切機構(圖2)主要作用是將棉稈切斷，使棉稈達到壓縮打捆時的最優長度，主要包括鍘切滾筒、鍘切刀、定刀等。

滾筒式鍘切機構的轉速決定棉稈切斷長度，根據試驗結果可知，棉稈壓縮打捆的最優切斷長度為25 cm[21]，因此根據式(1)和設計的棉稈喂入速度1 m/s得到滾筒式鍘切機構的轉速為120 r/min。

(1)

式中：l——棉稈切斷長度，m；

v——棉稈的喂入速度，m/s；

n——滾筒式鍘切機構轉速，r/min；

Z——鍘切滾筒圓周上均布的鍘切刀數量。

圖2 滾筒式鍘切機構Fig. 2 Roller type cutting mechanism1.定刀 2.鍘切刀 3.鍘切滾筒

通過式(2)驗證滾筒式鍘切機構在轉速為120 r/min時，棉稈能否別切斷。根據棉稈力學特性和滾筒式鍘切機構的特點，滾筒式鍘切機構能夠將棉稈切斷的條件為：Ft≥6 554 N[22]。

(2)

式中：T——鍘切滾筒的轉矩，N·m；

P——發動機傳遞給鍘切滾筒的功率，kW；

η——傳遞效率，%；

Ft——鍘切刀刀刃的圓周力，N；

D——滾筒式鍘切機構的外徑，m。

根據設計的滾筒式鍘切機構的外徑為495 mm，發動機傳遞給鍘切滾筒的功率35 kW，傳遞效率為0.98，計算得出鍘切刀刀刃的圓周力Ft=10 971 N>6 554 N。因此，改進后的滾筒式鍘切機構轉速，可以滿足將棉稈切斷為壓縮打捆時的最優長度要求。

綜上所述，滾筒式鍘切機構的轉速為120 r/min。

2.2 撥禾輪改進

撥禾輪主要作用是將待拔除的棉稈向拔除輥方向引導，使拔除輥順利將棉稈從地里拔除，主要包括撥禾板、撥禾輪軸、支架等。撥禾板工作時的運動為其繞撥禾輪軸的圓周運動與機具前進速度的合成速度，其運動軌跡如圖3所示，運動方程

(3)

式中：x——撥禾板上任一點的水平坐標，mm；

y——撥禾板上任一點的垂直坐標，mm；

vm——機具前進速度，%；

t——時間，s；

R——撥禾輪半徑，mm；

w——撥禾輪角速度，rad；

H——撥禾輪軸安裝高度，mm；

h——拔稈輥離地高度，mm。

圖3 撥禾板運動軌跡Fig. 3 Motion track of reel plates1.撥禾板 2.撥禾輪軸 3.支架

設撥禾輪的圓周線速度與機具的前進速度之比為撥禾速度比λ。通過分析圖3可知，只有當λ>1時，撥禾板在ABA1弧段范圍內才有向后撥棉稈的水平分量，撥禾板才能完成對棉稈的引導作用，使拔稈輥順利將棉稈從地里拔除。根據棉稈的物理特性和設計的機具行進速度為1.2 m/s，查閱農業機械設計手冊[23]，撥禾速度比λ=1.80。

撥禾輪的轉速、安裝高度、直徑、撥禾板的數量等是撥禾輪的主要工作參數。由于目前機采棉模式種植的棉稈平均高度為800 mm，棉稈種植株距為250 mm，本文設計的拔稈齒板離地高度為35 mm，根據式(4)計算得出，撥禾輪轉速36 r/min、安裝高度為1 084.8 mm、直徑為1 147.5 mm、撥禾板數量為8個。

(4)

式中：D1——撥禾輪直徑，mm；

λ——撥禾速度比，λ=1.80；

e——撥禾板撥動棉稈的位置，m；

vb——撥禾輪圓周線速度，m/s；

l——直立棉稈的自然高度，m；

n1——撥禾輪轉速，r/min；

L——棉稈的種植株距，m；

z——撥禾輪圓周上均布的撥禾板數量。

2.3 螺旋輸送輥改進

螺旋輸送輥的主要作用是將拔除后的棉稈聚攏輸送到，主要包括輸送輥軸、螺旋葉片、撥桿等(圖4)。

本文設計的螺旋輸送輥為單線螺旋，螺旋葉片螺距為450 mm，螺旋外徑為480 mm，為防止棉稈在滾筒式鍘切機構處發生堵塞，螺旋輸送輥的橫向輸送速度應該小于等于滾筒式鍘切機構的圓周線速度，即

(2)

式中：v1——螺旋輸送輥的橫向輸送速度，m/s；

n2——螺旋輸送輥的轉速，r/min；

S——螺旋葉片螺距，m；

v2——滾筒式鍘切機構的圓周線速度，m/s；

r2——滾筒式鍘切機構的半徑，m。

圖4 螺旋輸送輥Fig. 4 Screw convey roller1.輸送輥軸 2.撥桿 3.螺旋葉片

由2.1節可知，滾筒式鍘切機構的外徑為495 mm，轉速為120 r/min，因此，螺旋輸送輥的轉速≤414.5 r/min。

螺旋輸送輥轉速、機具行進速度和機具收獲行數共同決定著棉稈壓縮打捆時的喂入量，根據試驗結果可知，棉稈壓縮打捆的最優喂入量為3.22 kg/s，因此根據式(6)可計算出螺旋輸送輥的轉速。

(6)

式中：Q——棉稈喂入量，kg/s；

d——螺旋輸送輥螺旋外徑，m；

ρ——所收獲棉稈的密度，m/s；

γ——螺旋充滿系數。

棉稈作為一種硬質秸稈，螺旋輸送輥在輸送棉稈時的螺旋充滿系數比較低。經測算，螺旋輸送輥輸送棉稈時的螺旋充滿系數為0.04，且棉稈收獲時的密度約為333 kg/m3[24-25]。因此，計算得出螺旋輸送輥的轉速約為178 r/min≤414.5 r/min。

綜上所述，螺旋輸送輥的轉速為178 r/min。

2.4 曲柄滑塊壓縮機構改進

曲柄滑塊壓縮機構的主要作用是將切斷后的棉稈進行壓縮，主要包括曲柄、連桿、壓縮活塞等(圖5)。

圖5 曲柄滑塊壓縮機構Fig. 5 Crank slider compression mechanism1.壓縮活塞 2.連桿 3.曲柄

曲柄滑塊壓縮機構的壓縮頻率影響棉稈的壓縮質量，壓縮頻率太大導致消耗功率大、機具穩定性差，壓縮頻率過小，則切斷后的棉稈壓捆質量差。因此，曲柄滑塊壓縮機構的壓縮頻率應根據棉稈的壓縮力特性進行確定。棉稈的壓縮破壞載荷為8 297 N[22, 26]，為確保棉稈的壓縮質量，取安全系數1.5，因此本文設計的曲柄滑塊壓縮機構在壓縮最遠點的力應為12 445.5 N。

采用Adams動力學仿真軟件，對曲柄滑塊壓縮機構在不同壓縮頻率下的動力學進行仿真分析得出，當曲柄滑塊壓縮機構以110次/min進行壓縮時(圖6)，能夠滿足要求。

圖6 壓縮活塞端部力Fig. 6 Compression piston end force

3 試驗與分析

為驗證改進后的自走式棉稈聯合收獲打捆機的性能，對改進后的自走式棉稈聯合收獲打捆機進行了田間試驗，與改進前進行對比。

3.1 試驗基本條件

田間試驗在山東省無棣縣西小王鄉進行(圖7)。試驗地的棉稈直徑為14.5～22 mm，平均株高800 mm，平均株距250 mm，平均含水率36.4%，行距760 mm等行距；土壤深度0～10 cm處平均含水率10.8%，平均硬度260 N/cm2；棉花秸稈量8 391.5 kg/hm2。

圖7 田間試驗Fig. 7 Field experiment

3.2 試驗性能指標和試驗方法

3.2.1 試驗性能指標

由于棉稈回收的是否干凈直接影響下季棉花的播種效果，棉稈收的越干凈，越有利于棉稈播種，因此棉稈回收率是棉稈收獲類機械的關鍵參數；棉稈壓縮打捆的成捆時間對機具的作業效率有直接影響，因此棉稈的壓縮打捆效率是棉稈打捆類機械的關鍵參數；打捆質量主要包括成捆率、規則草捆率和打捆密度，這三個指標能夠直接說明棉稈打捆機械的作業效果。因此，本研究將棉稈回收率、壓縮打捆效率和打捆質量作為自走式棉稈聯合收獲打捆機的試驗性能指標。

(7)

式中：S1——棉稈回收率，%；

ms——回收的棉稈質量，kg；

mw——未回收的棉稈質量，kg。

(8)

式中：φ——壓縮打捆效率，個/min；

K——壓縮打捆個數，個；

t1——壓縮打捆所用時間，min。

(9)

式中：ρ1——打捆密度，kg/m3；

m——壓縮打捆后的棉捆質量，kg；

V1——棉捆體積，m3；

Sk——成捆率，%；

Id——累計打捆數，個；

Is——累計散捆數，個；

Sg——規則草捆率，%；

Igc——被測棉捆數，個；

Igb——累計不規則棉捆數，個。

3.2.2 試驗方法

將試驗區域劃分為若干個長度為200 m，寬度為3 m 的試驗點。

1) 棉稈回收率和壓縮打捆效率：分別隨機選擇5個試驗點進行棉田自走式棉稈聯合收獲打捆機優化前和優化后棉稈回收和壓縮打捆試驗，分別統計棉稈回收率和壓縮打捆率，最后將5個試驗點的平均值作為試驗的最終值。

2) 打捆質量：在隨機選擇的5個試驗點的每個試驗點內隨機選擇2個棉捆，分別統計棉捆的打捆質量，將這2個棉捆的打捆質量平均值作為這個試驗點的最終值，最后將5個試驗點的棉捆的平均值作為試驗的最終值。

3.2 試驗結果

自走式棉稈聯合收獲打捆機試驗結果如表2所示。

分析表2可知，改進后的自走式棉稈聯合收獲打捆機的棉稈回收率為93.8%，壓縮打捆效率為11.9個/min，打捆密度為145.3 kg/m3，成捆率為96.1%，規則草捆率98.6%。為驗證改進后的自走式棉稈聯合收獲打捆機的性能，引入提升率概念，其計算公式如式(10)所示。

表2 自走式棉稈聯合收獲打捆機試驗結果Tab. 2 Test results of self-propelled cotton stalk combine harvest baler

(10)

式中：ηi——提升率，%；

Ai——自走式棉稈聯合收獲打捆機改進后的試驗性能指標值；

Bi——自走式棉稈聯合收獲打捆機改進前的試驗性能指標值。

分析表3可知，改進后的自走式棉稈聯合收獲打捆機棉稈回收率提高了6.6%，壓縮打捆效率提高了43.4%，打捆密度提高了14.7%，成捆率提高了10.1%，規則草捆率提高了4.7%，表明改進后的自走式棉稈聯合收獲打捆機的性能有了顯著提高。

表3 自走式棉稈聯合收獲打捆機提升率Tab. 3 Improve rate of self-propelled cotton stalkcombine harvest baler

4 結論

本文通過理論、仿真和試驗分析的方法，對自走式棉稈聯合收獲打捆機的滾筒式鍘切機構、撥禾輪、螺旋輸送輥和曲柄滑塊壓縮機構進行了改進，并對改進前后的機具進行了對比試驗，得出如下結論。

1) 改進后的自走式棉稈聯合收獲打捆機的滾筒式鍘切機構轉速為120 r/min，撥禾輪轉速為36 r/min，螺旋輸送輥轉速為178 r/min，曲柄滑塊壓縮機構壓縮頻率為110次/min，撥禾輪圓周上均布的撥禾板數量為8個。

2) 改進后的自走式棉稈聯合收獲打捆機的棉稈回收率為93.8%，壓縮打捆效率為11.9個/min，打捆密度為145.3 kg/m3，成捆率為96.1%，規則草捆率98.6%。

3) 改進后的棉稈壓縮打捆機的棉稈回收率提高了6.6%，壓縮打捆效率提高了43.4%，打捆密度提高了14.7%，成捆率提高10.1%，規則草捆率提高4.7%。